3.5. Расчет элементов конструкций из пластмасс

История применения пластмасс насчитывает всего несколько десятилетий. Изучение физико-механических свойств конструкционных пластмасс, установление расчетных характеристик позволили обосновать расчеты и методы проектирования строительных конструкций с их применением.

Несущие конструкции из пластмасс наиболее эффективны в оболочках покрытия. Объясняется это следующими факторами. В оболочках наблюдаются значительные допускаемые деформации и перемещения по отношению к плоским балочным конструкциям, вследствие чего в них компенсируется пониженная жесткость пластмасс и используются высокие прочностные свойства.

Расчетные характеристики пластмасс приведены в табл.2.2 [6].

Для проектирования конструкций с применением пластмасс необходимы следующие расчетные характеристики: расчетные сопротивления материалов, модули упругости, модули сдвигов, показатели поперечной деформации (коэффициенты Пуассона). Коэффициенты безопасности по материалу для пластмасс не установлены. Расчетные сопротивления при длительном действии нагрузки определяют как R=R_нk_длk_одн.

Расчет элементов конструкций из пластмасс на растяжение, сжатие, изгиб, скалывание и т.д. ведется на основе общих принципов расчета строительных конструкций – по методу предельных состояний (по несущей способности и деформациям) с учетом некоторых особенностей пластмасс.

Важными особенностями конструкционных пластмасс являются высокая прочность и малый модуль упругости. Поэтому второе предельное состояние (расчет по деформациям) является решающим при назначении размеров сечений элементов из пластмасс. В отдельных случаях необходимо учитывать, кроме нормальных и касательные напряжения, увеличивающие прогиб.

Существенной особенностью пластмасс является также ползучесть– нарастание деформаций при постоянной нагрузке. Ее влияние необходимо учитывать при расчете во всех случаях.

Нагрузки и воздействия, учитываемые при расчете конструкций из пластмасс, разделяются на постоянные, временные, длительные и кратковременные.

К постоянным относятся нагрузки от собственного веса, веса стационарного оборудования и внутреннего избыточного давления воздуха или газа в оболочках пневмоконструкций.

К временным длительным относятся снеговая нагрузка, сезонные или месячные колебания температуры наружного воздуха, а для пневмоконструкций и ветровая нагрузка.

К кратковременным относятся ветровая нагрузка (кроме пневматических конструкций), суточные колебания температуры наружного воздуха, тепловое воздействие солнечной радиации, вес людей, инструмента и материалов при монтаже и ремонте.

С учетом особенностей свойств пластмасс центрально сжатые элементы рассчитываются на устойчивость, изгибаемые – на жесткость, а также рассчитываются сжато-изгибаемые стержни. При расчете центрально-сжатых элементов с учетом устойчивости необходимо знать коэффициенты продольного изгиба φ. Для большинства пластмасс коэффициент φ получается в пределах применимости формулы Эйлера:

(3.28)

где А=700…3300 – коэффициент.

В расчетах предварительно принимают при кратковременных нагрузках следующие условные пределы пропорциональности и коэффициенты продольного изгиба φ (см. табл. 3.1).

Таблица 3.1. Характеристики пластмасс

Материал
Стеклопластик полиэфирный Стеклопластик КАСТ-В Стеклопластик СВАМ Стеклопластик АГ-4С Стекло органическое Винипласт	90 95 400 200 80 75	27 57 200 120 24 22,5	3000 19000 24000 15000 1400 1600	0,6 0,8 0.8 0,8 0,3 0,55		43 64 39 39 44 36

Расчетные сопротивления конструкционных пластмасс при любом виде напряжённого состояния определяются по нормативным сопротивлениям соответствующих пластмасс, умноженным на произведение всех поправочных коэффициентов

(3.29)

где k– коэффициент однородности, k_дл – коэффициент длительного загружения, k_w и k_t – коэффициенты, учитывающие повышение влажности и температуры соответственно.

При расчете прогиба изгибаемых элементов учитываются как нормальные, так и касательные напряжения, оказывающие существенное влияние на прогиб балки из-за малого модуля сдвига. Пользуются следующими формулами прогибов:

– для балки на двух опорах с равномерно распределенной нагрузкой

(3.30)

– для балки на двух опорах с сосредоточенной силой Р посередине пролета

(3.31)

– для консольной балки с равномерно распределенной нагрузкой

(3.32)

где Е – модуль упругости с учетом длительного воздействия нагрузки; I – момент инерции поперечного сечения балки.

Значение для различных форм поперечного сечения определяется из следующих выражений:

– для прямоугольного сечения

– для круглого сечения

– для двутаврового сечения

Расчет пластмассовых конструкций рекомендуется производить по длительным расчетным сопротивлениям R и длительным модулям упругости Е и сдвига G. Если напряжения от кратковременных нагрузок будут составлять более 50% от суммарных напряжений, то величины R и Е увеличивают на 30%, т.е. R^/=1,3R; Е^/=1,3Е.

Расчет сжато-изгибаемого стержня производится по формуле

(3.33)

где

(0< < 1), (3.34)

Прогиб от поперечной нагрузки и начального момента соответственно .

Критическая Эйлерова сила для любой гибкости стержня .